Hoe werken computers?

Computers zijn niet weg te denken uit onze huidige maatschappij. Toch is er maar een selecte hoeveelheid mensen die weten hoe hun computer ècht werkt. Dat wil zeggen, iedereen heeft weleens gehoord van een processor, harde schijf of geheugen. Maar hoe zorgen deze onderdelen ervoor dat een computer kan werken?

Hardware

De onderdelen van een computer worden als hardware beschouwd; onder software vallen de gegevens die in de hardware verwerkt worden. Hardware kan weer verdeeld worden in interne en externe hardware, waarbij eerstgenoemde onderdelen in de computerkast aanwezig zijn (processor, moederbord, etc.) en laatstgenoemde buiten de kast te vinden zijn (muis, beeldscherm, etc.). Tot dusver wat saaie definities die veel mensen al weten.

Dit artikel legt eerst de gebruikerszijde uit: wat zijn programma's nou eigenlijk? Hoe deze programma's worden verwerkt in het computersysteem wordt daarna uitgelegd. Tenslotte wordt er in gegaan op de verschillende onderdelen en hoe deze met elkaar in verbinding staan.

Programma's en instructies

Laten we beginnen bij de gebruiker. Deze wil immers niks anders doen dan programma's uitvoeren en die gebruiken om gegevens te verwerken, denk aan het bekijken van foto's of het surfen op internet. Programma's bestaan uit instructies. Instructies bij computers zijn eigenlijk heel eenvoudig, bijvoorbeeld: "tel 4 bij 5 op" of "als variabele x kleiner is dan 4, ga terug naar de eerste instructie". Op deze manier kunnen er in programma's berekeningen worden gezet. Ook kan het programma zelf kiezen welk deel wordt uitgevoerd.

Programma's worden in de praktijk niet (meer) instructie na instructie geschreven. Hiervoor zijn tegenwoordig programmeertalen gemaakt die veel handiger zijn in gebruik. De programma's, gemaakt in zulke programmeertalen, worden omgezet naar een bestand met instructies zodat ze uitgevoerd kunnen worden.

Von Neumann-architectuur, de processor en het geheugen

De von Neumann-architectuur beschrijft de essentie van hoe computers werken. Eigenlijk is er één centraal onderdeel, de processor of CPU (Central Processing Unit). Deze communiceert enerzijds met geheugen om instructies te verkrijgen en gegevens op te slaan, anderzijds communiceert deze met randapparatuur zodat er bijvoorbeeld via een grafische kaart iets op het scherm kan worden weergegeven.

Een processor is eigenlijk al een computer op zich: deze chip bezit onder andere de volgende belangrijke onderdelen:

datapath met ALU (Arithmetic Logic Unit), digitale logica die de daadwerkelijke berekeningen uitvoert;

registers, klein en snel geheugen waarin tijdelijk gegevens en instructies kunnen worden opgeslagen;

control unit, haalt instructies op uit het geheugen en geeft deze door aan het datapath.

Processoren zijn tegenwoordig heel complex geworden met miljarden transistoren en slimme digitale logica, maar nog steeds bestaan ze globaal uit bovenstaande onderdelen.

Geheugen en opslag

Op de processor is ook nog cache-geheugen te vinden: langzamer en groter geheugen vergeleken met de registers. Omdat dit geheugen on-chip aangebracht is, is er maar weinig ruimte beschikbaar. Daarom is er nog een laag aan geheugen in veel computersystemen: dit is het RAM (Random Access Memory) of werkgeheugen. Dit geheugen bestaat uit meerdere geheugenchips en is in de buurt van de processor geplaatst.

Al het bovenstaande geheugen is vluchtig, als de computer wordt uitgeschakeld zijn de gegevens verloren. Daarom worden vaak harde schijven en zogenaamde SSD's (Solid-State Drive) gebruikt om gegevens permanent op te slaan. Bij harde schijven wordt dat gedaan op een magnetische schijf (een soort cassettebandje) en bij SSD's wordt dat gedaan in transistoren die hun lading behouden.

Grafische kaart

De grafische kaart of videokaart bestaat uit allerlei elektronica die direct contact heeft met de processor en als doel heeft beelden te genereren die op een scherm kunnen worden weergegeven. Vroeger was dit eigenlijk niet veel meer dan een chip die de digitale computersignalen om kan zetten naar analoge signalen voor het beeldscherm. Tegenwoordig kunnen deze grafische kaarten veel mee: ze bezitten een eigen soort processor (de GPU, Graphics Processing Unit) en eigen geheugen. De GPU is in staat om vele eenvoudige berekeningen op hetzelfde moment uit te voeren en kan daardoor bijvoorbeeld, sneller dan de CPU, landschappen tekenen voor computerspellen. Het geheugen wordt gebruikt om afbeeldingen in op te slaan zodat de GPU ze snel kan verkrijgen als het nodig is.

Grafische kaarten worden tegenwoordig niet meer alleen voor computerspellen gebruikt. Ook het verwerken van films in hoge resoluties en het weergeven van webpagina's worden nu door grafische kaarten uitgevoerd. Verder worden grafische kaarten ook gebruikt in de wetenschappelijke wereld, denk aan het simuleren van een mensenhart.

Andere hardware

Naast bovenstaande hardware is er nog talloze andere hardware. Denk aan de geluidskaart die digitale bewerkingen op het geluid uitvoert en daarna via een kleine versterker een koptelefoon kan voorzien van geluid. Of een toetsenbord dat via de USB (Universal Serial Bus) de toetsaanslagen kan doorgeven aan de computer.

Opbouw

Alle onderdelen zijn theoretisch besproken nu, maar hoe zit het in elkaar? Het begint met één onderdeel: het moederbord. Dit is een grote printplaat waarin allerlei aansluitingen zijn aangebracht. Zo is er een aansluiting waarin de processor kan worden gestopt, een aantal gleuven waarin de geheugenmodulus kunnen worden aangesloten en plekken waar grafische kaarten of andere hardware kunnen worden gestoken. Aan de zijkant van het moederbord zitten allerlei aansluitingen die bij montage aan de buitenkant van de computerkast terechtkomen zodat de gebruiker er externe hardware kan aansluiten.

Ander soorten computers

Dit is de beschrijving van hoe veel computers werken. Tegenwoordig zijn er ook hele andere constructies. Zo bestaan er processoren waar de GPU al in zit en bestaan er zelfs hele andere architecturen dan die van Von Neumann.